Quelltext der Seite Virtual 8086 Mode

Der Betriebsmodus '''{{lang|en|Virtual 8086 Mode}}''' – kurz '''VM86''' –, manchmal auch '''V86'''<ref>https://www.xtof.info/inside-windows3.html#h-virtual-8086-mode</ref> wurde mit dem [[Intel 80386|80386]]-Prozessor von [[Intel]] im Jahr [[1985]] eingeführt. Da sich zu dieser Zeit [[Protected Mode|Protected-Mode]]-Betriebssysteme noch nicht am Markt gegen das [[Real Mode|Real-Mode]]-Betriebssystem [[PC-kompatibles DOS|DOS]] durchgesetzt hatten, wurde mit dem ''{{lang|en|Virtual 8086 Mode}}'' die Möglichkeit geschaffen, innerhalb eines Protected-Mode-Betriebssystems Real-Mode-Programme (also vor allem DOS-Programme) auszuführen, ohne die Protected-Mode-Umgebung zu verlassen.

Bekanntestes Beispiel hierfür ist die so genannte [[MS-DOS-Eingabeaufforderung]], die ab [[Microsoft Windows 3.0|Windows 3.0]] existierte.

== Nutzung ==
Im {{lang|en|Protected Mode}} können mehrere Programme – so genannte ''Tasks'' – quasi parallel ablaufen. Für jeden dieser Tasks kann über ein bestimmtes [[Bit]] im [[Statusregister]] festgelegt werden, ob er ein VM86-Task sein soll.

Im Virtual-8086-Modus verhält sich der [[Prozessor]] aus Programmsicht wie ein Prozessor im ''{{lang|en|Real Mode}}''. Es ist für ein Programm aber leicht feststellbar, ob es im ''{{lang|en|Real Mode}}'' oder im ''{{lang|en|VM86 Mode}}'' läuft. Jedem VM86-Task stehen maximal ein [[Mebibyte]] Arbeitsspeicher zur Verfügung. Dies muss jedoch – im Gegensatz zum ''{{lang|en|Real Mode}}'' – nicht das erste Mebibyte im physischen Speicher sein, da die {{lang|en|Protected-Mode}}-Umgebung im Hintergrund automatisch eine Umsetzung der ''virtuellen Adressen'' in ''physische Adressen'' vornimmt.

Da ein VM86-Task in der Regel unprivilegiert läuft, hat er nur eingeschränkte Zugriffsrechte auf die Hardware oder bestimmte [[Register (Computer)|CPU-Register]]. Dies ist notwendig, da sonst ein Programm im VM86-Modus das {{lang|en|Protected-Mode}}-Betriebssystem und somit den [[Speicherschutz]] umgehen könnte. Jeder Hardwarezugriff, den ein VM86-Task tätigt, wird daher vom [[Prozessor]] abgefangen und als [[Ausnahmebehandlung|Ausnahmesituation]] ({{enS|Exception}}) an das {{lang|en|Protected-Mode}}-Betriebssystem gemeldet, welches dann entweder das Verhalten der [[Hardware]] nachbilden (simulieren) muss, oder bei unerlaubtem Zugriff den VM86-Task und das in ihm laufende Programm beendet. Da unter DOS solche direkten Hardwarezugriffe recht häufig vorkommen, stellt dies an das [[Betriebssystem]] große Anforderungen, da eine Vielzahl an Hardwareverhalten nachgebildet werden muss. Da das Abfangen und Simulieren der Hardwarezugriffe außerdem meist langsamer ist als der direkte Hardwarezugriff, laufen viele DOS-Programme im VM86-Modus spürbar langsamer als im „echten“ ''{{lang|en|Real Mode}}''.

Der VM86-Modus wurde jedoch nicht nur für diverse DOS-Fenster z.&nbsp;B. unter [[Microsoft Windows|Windows]] („[[COMMAND.COM#MS-DOS-Eingabeaufforderung|Eingabeaufforderung]]“), [[OS/2]] („DOS-Modus“), [[Linux]] (über das Programm [[DOSEMU]]) benutzt, sondern auch von DOS selbst. Der Speichertreiber [[EMM386.EXE]] von [[MS-DOS]] schaltete – vom Benutzer meist unbemerkt – in den ''{{lang|en|Protected Mode}}'', um Zugriff auf den Speicher jenseits der 1-Mebibyte-Grenze zu bekommen. Anschließend startete er einen VM86-Task, in den das bereits laufende DOS dann verlegt wurde. EMM386.EXE benutzte die ebenfalls ab dem 80386er verfügbare [[Paging]]-Technik, um den DOS-Programmen mehr Speicher zur Verfügung zu stellen, indem es Speicher von jenseits der 1-Mebibyte-Grenze in den DOS-Adressraum einblendete (''{{lang|en|Expanded Memory}}'', [[Expanded Memory Specification|EMS]]). Solche Speichermanager existieren auch für die anderen MS-DOS-kompatiblen Betriebssysteme. Sie heißen dort anders, aber ihre prinzipielle Arbeitsweise ist identisch.

== Verbesserter Virtual 8086 Mode ==
Als ''Virtual 8086 mode enhancements'',<ref name="softwaresolutions2018p75" /> kurz '''VME''' (''{{lang|en|Virtual Mode Extensions}}''), kamen bei späteren [[Intel 80486|80486]]-Modellen und beim [[Intel Pentium|Pentium]] weitere Features für den VM86-Modus hinzu, die es erlauben, dass bestimmte [[Interrupt]]-Serviceroutinen komplett im VM86-Modus abgearbeitet werden können, ohne dass aufwändige Taskwechsel in das ''{{lang|en|Protected-Mode}}''-Betriebssystem erfolgen müssen. Dies ermöglicht eine Ausführungsgeschwindigkeit, die dem echten ''{{lang|en|Real Mode}}'' sehr nahekommt, vor allem, da unter DOS Software-Interrupts sehr häufig sind, wo sie als Aufruf ins Betriebssystem und von [[BIOS]]-Routinen benutzt werden.

Mit dem in x86-Prozessoren ab späteren 80486 CPUs verfügbaren [[CPUID]]-Funktionsaufruf lässt sich auslesen, ob ein Prozessor die verbesserten ''{{lang|en|Virtual Mode Extensions}}'' bietet. Dazu muss in Register EAX der Wert <code>1H</code> stehen, wenn die CPUID-Funktion ausgeführt wird. In Register EDX findet sich anschließend im zweiten Bit (Bit 1) die Information über die Verfügbarkeit von VME.<ref name="softwaresolutions2018p75">{{Literatur |Autor=Julio Sanchez, Maria P. Canton |Titel=Software Solutions for Engineers and Scientists |Verlag=CRC Press |Datum=2018 |ISBN=978-1-4200-4303-7 |Seiten=75 |Sprache=en |Online={{Google Buch |BuchID=jtKc0k5BWA8C |Seite=75 |Linktext=Volltext |Hervorhebung=Virtual 8086 mode enhancements}} |Zitat=EDX = feature information: Bit 1: Virtual 8086 mode enhancements}}</ref>

Bei vielen Betriebssystemen lassen sich die CPUID-Informationen relativ einfach auslesen. Unter Linux z.&nbsp;B. reicht es, sich den Inhalt von <code>[[procfs|/proc]]/cpuinfo</code> anzeigen zu lassen. In der Zeile „[[Flag (Informatik)|flags]]“ findet sich <code>'''vme'''</code>, wenn der verbesserte VM86-Modus vorhanden ist. Beispiel (Prozessor: [[Intel Pentium II|Pentium&nbsp;II]]):

 [[Prompt|$]] [[cat (Unix)|cat]] /proc/cpuinfo [[Pipe (Informatik)|&#124;]] [[grep]] -m 1 -e "flags"
 flags           : fpu '''vme''' de pse tsc msr pae mce cx8 sep mtrr pge mca cmov pse36 mmx fxsr up

Auf einigen [[Berkeley Software Distribution|BSD]]-Systemen werden die Flags als „Features“ bei den Textmeldungen beim Systemstart ausgegeben, die auch mit <code>[[dmesg]]</code> auf einem laufenden System angezeigt werden können. Auch das Programm <code>dmidecode</code> kann bei geeigneten Systemen (DMI steht für ''{{lang|en|[[Desktop Management Interface]]}}'') die CPU-Flags ausgeben.

=== AMD Ryzen ===
Beim AMD-[[Zen (Mikroarchitektur)|Ryzen]]-Prozessor (Mitte 2017) ist die Implementierung der ''{{lang|en|Virtual Mode Extensions}}'' (VME) fehlerhaft, so dass Software, die diese Erweiterung benutzt, nicht stabil lief. Da der Virtual-8086-Modus nur im 32-Bit-Betriebsmodus verfügbar ist, betraf der Fehler nur 32-Bit-Betriebssysteme – allerdings auch dann, wenn diese virtualisiert ausgeführt wurden. Der [[Hardwarefehler]] kann meist in [[Virtuelle Maschine|Virtuellen Maschinen]], etwa [[VirtualBox]], [[Workaround|umgangen]] werden, indem die Unterstützung für VME per [[CPUID]] für das [[Gastsystem]] deaktiviert wird. Mit der Aktualisierung auf [[AMD Generic Encapsulated Software Architecture|AGESA]]-Version 1.0.0.6 von Ende 2017 wurde der VME-Bug von AMD per [[Mikrocode|Microcode]]-Update behoben.<ref name="heiseonline_3732056">{{Heise online |ID=3732056 |Titel=AMD Ryzen: Kommende BIOS-Updates patchen auch „VME-Bug“ |Autor=Christof Windeck |Datum=2017-06-01 |Abruf=2017-07-07}}</ref>

== Bedeutung auf 64-Bit-x86-Systemen „x64“ ==
Mit der schwindenden Bedeutung des Betriebssystems DOS ist auch der VM86-Modus nunmehr eher als historisch anzusehen und wird daher kaum noch verwendet, auch wenn er in jedem aktuellen x86-kompatiblen Prozessor noch im 32-Bit-Modus (ab „{{lang|en|[[IA-32|Intel Architekture 32-Bit]]}}“, kurz IA-32) verfügbar ist. Auf einem 64-Bit-x86-System „[[X64#Betriebsmodi|x64]]“ (eine Erweiterung der IA-32) gibt es zwar einen „{{lang|en|Compatibility Mode}}“, der verwendet wird, um 16-Bit-''{{lang|en|Protected-Mode}}''- oder 32-Bit-Programme auf einem 64-Bit-Betriebssystem auszuführen, jedoch fehlt darin der ''{{lang|en|Virtual86 Mode}}''. Abhilfe schaffen [[Emulator]]en wie z.&nbsp;B. [[DOSBox]], die ein 8086-kompatibles System mit [[IBM-PC-kompatibler Computer|PC-typischer]] Hardwareumgebung komplett in Software nachbilden.<!-- Ebenso können manche Programme den ''{{lang|en|Real Mode}}'' in Software emulieren, wenn VM86/VME auch im 32-Bit-Modus gänzlich fehlt.-->

Jeder 64-Bit-x86-Prozessor „x64“ bietet mit dem „{{lang|en|Legacy Mode}}“ vollwertiges 32-Bit-x86, oder anders ausgedrückt: Jeder x64-Prozessor ist auch ein vollwertiger 32-Bit-x86-Prozessor („IA-32“). Läuft darauf ein 32-Bit-Betriebssystem, so ist normalerweise auch der verbesserte VM86-Modus „VME“ weiterhin verfügbar. Auch unter einem 64-Bit-Betriebssystem kann in einer [[Virtuelle Maschine|virtuellen Maschine]] der 32-Bit-''{{lang|en|Legacy-Mode}}'', inklusive VME, verwendet werden. Beispielsweise kann ein auf einem 64-Bit-Betriebssystem, das im 64-Bit-Modus läuft, virtualisiert ausgeführtes 32-Bit-Betriebssystem alle im ''{{lang|en|Legacy Mode}}'' vorhandenen Funktionen nutzen, und damit auch VME, wenn dieses per CPUID angezeigt ist.

In 64-Bit-Umgebungen spielt der ''{{lang|en|Real Mode}}'', und damit auch der ''{{lang|en|Virtual 8086 Mode}}'' bzw. VME, keine Rolle mehr.

== Weblinks ==
* [http://www.rcollins.org/articles/vme1/ Virtual Mode Extensions on the Pentium Processor], Robert Collins, Jim Brooks (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

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[[Kategorie:Mikroprozessortechnik]]